CN100505571C - 用于确定巴克扩频序列的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于确定接收到的数据序列是否是巴克扩频序列的方法和设备，所述设备包括：巴克相关器(12)；用于对所述接收到的数据序列进行相关；滤波器装置(16)，用于对相关结果进行滤波以创建由K个连续的数据比特的相关结果的总和组成的数据集，其中，K是质量参数并且是一个大于1的整数；用于通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和最小相关结果之间的差异来获得参数L的装置(20)；以及用于将L与预定的门限值比较，以确定接收到的信号是否是巴克扩频序列的装置(22)。

Description

用于确定巴克扩频序列的方法和设备

技术领域

本发明通常涉及扩频码位置调制(spread spectrum code positionmodulation)通信，更具体地，涉及用于检测在分散的传输介质中传输后的接收到的数据序列是否被巴克扩频的方法和设备，以及相应的接收机。

背景技术

许多年来，例如被构造为局域网(LAN)的计算机系统中的无线通信的概念已经众所周知，但其收益是很有限的，直到发布了用于工业、科研和医疗(ISM)应用的2.4GHz无须授权带宽(unlicensed band)为止。

无线LAN产品最常使用直接序列扩频(direct sequence spreadspectrum，DSSS)或者跳频扩频(frequency hopping spread spectrum，FHSS)技术，以在漫游移动台和网络接入点之间进行通信。扩频技术的显著特征是，经调制的输出信号占用了比所需的基带信息带宽大得多的传输带宽。通过使用具有比基带信息比特率高得多的频率的码字或符号，对基带信息中的每个数据比特进行编码来实现扩频。在一个更宽的频带上对信号进行扩频的结果导致相对较低的功率谱密度，从而使得其它通信系统尽可能少受来自传送扩频信号的设备的干扰。这也使得扩频信号更加难以检测且更加不易受干扰(即更加难以干扰)。

DSSS和FHSS技术都采用对于发射机和接收机是已知的伪随机码字来扩频数据，并使得它更难以被缺乏该码字的接收机检测到。码字由具有-1和+1(极性)或者0和1(非极性)值的“码片”序列组成，这些码片与将要发送的信息比特相乘(或者XOR)。因此，逻辑“0”信息比特可以被编码为第一预定码字，逻辑“1”信息比特可以被编码为第二预定码字序列。

许多无线网络符合IEEE 802.11标准，该标准采用公知的巴克码来编码和扩频数据。巴克码字由具有序列“00011101101”或者“+++---+--+-”的11个码片组成。一个完整的巴克码字序列或者符号，在由单独一个二进制信息比特占用的时间周期内被传送。因此，如果符号(或者巴克序列)率是1MHz，序列中的11个码片的隐含码片率是11MHz。通过使用11MHz码片率的信号对载波进行调制，传送的信号占用的频谱扩大了11倍。因此，经过解调和相关，在接收机中恢复的信号包括一系列代表如逻辑“1”信息比特的反向巴克序列和一系列代表如逻辑“0”信息比特的非反向巴克序列。

通常，标准无线局域网对于1Mb/s和2Mb/s模式采用DSSS，对于5.5Mb/s和11Mb/s模式采用补码键控(Complementary Code Keying，CCK)码。例如，IEEE802.11b标准使用64个CCK码片序列以获得11Mb/s。CCK使用一系列被称作互补序列(Complementary Sequence)的码，而不是使用巴克码。由于有64个唯一的码字可以用于编码信号，因此可以用任何一个特定的码字代表最多6个比特(而不是用一个巴克符号代表1个比特)。

对所有模式，将要发送的数据在发射机中被封装或者“打包”成帧，并且在接收机中被解封装或者“解包”。每个帧或者包包括：除了其它字段以外，一个提供在打包和解包操作之间建立同步(SYNC)的机制的前同步码(preamble)和一个帧头。对于所有IEEE 802.11b模式(上文所述)，至少IEEE 802.11b包的前同步码和帧头是用11比特巴克序列被扩频的。

本领域的技术人员将明白，为了使接收符合IEEE 802.11b的数据包成为可能，当检测到符合IEEE 802.11b的信号时，符合IEEE 802.11b的接收机必须被启动。因此，需要用于检测符合IEEE 802.11b的信号已经被接收的装置，从而使得适当的接收机可以被启动。

已知的是，利用以下事实，即至少符合IEEE 802.11b的包的前同步码和帧头被用11比特巴克序列进行扩频。通过用该11比特巴克序列对接收到的信号进行交叉相关，当该11比特巴克序列与已扩频信号中的11比特巴克序列同步时，可以预期获得大的相关结果，否则获得小的相关结果。因此，在11个接收到的比特的窗口中，可以预期一个大的相关值，该大的相关值将周期出现，即以11比特为周期出现。

然而，伴随着无线电传输链路的使用，出现了某些问题，尤其是对室内环境中的LAN。这种问题之一是多径衰落，其效应可以导致在单独一个11比特周期中出现多于一个相当大的相关值。这使得区分巴克扩频信号和其它种类的信号变得更加困难。

在一个已知的方案中，可以通过测试大的相关值的出现和那些大的相关值的周期性来表明巴克扩频信号的存在。然而，使用该方法，判决时间(即是否存在巴克信号)是可变的。尤其是在“不存在巴克信号”的情况下，在该方法宣布不存在巴克信号之前，可能花费很长一段时间。因此，需要定义所谓的“超时”函数。

美国专利No.5,131,006描述了一种用于在无线局域网接收机中进行载波检测和天线选择的方案，其中该接收机适合于接收扩频码位置调制信号。在所描述的接收机中，相关器输出在积分器和寄存器电路中被利用，以提供在多个符号间隔上被积分的相关器输出采样值。这些值被存储在寄存器中，寄存器的内容被用于确定峰值和总值，其值被应用于包括查找表的尖峰(spike)质量确定电路。所生成的尖峰质量输出值代表了接收到的信号的质量，并且被用于载波检测和天线选择。

发明内容

我们现在已经提出一种改进的方案。

根据本发明，提供了一种确定接收到的数据序列是否是巴克扩频序列的方法，该方法包括以下步骤：对所述接收到的数据序列进行相关；执行滤波操作以创建由K个连续的数据比特的相关结果总和组成的数据集，其中，K是质量参数，并且是一个大于1的整数；通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和最小相关结果之间的差异来得到参数L；并且将该参数L与预定的门限值比较，以确定所述接收到的信号是否是巴克扩频序列。

根据本发明，也提供了用于确定接收到的数据序列是否是巴克扩频序列的设备，该设备包括以下装置：用于对所述接收到的数据序列进行相关的装置；用于执行滤波操作以创建由K个连续的数据比特的相关结果总和组成的数据集的装置，其中，K是质量参数，并且是一个大于1的整数；用于通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和最小相关结果之间的差异来得到参数L的装置；以及用于将该参数L与预定的门限值比较，以确定所述接收到的信号是否是巴克扩频序列的装置。

在优选实施例中，对接收到的序列进行相关的步骤包括使用以下公式获得信号y(kT+n)：

$y(\mathrm{kT}+n)=\underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^{*}r(\mathrm{kT}+n-i)---\left(1\right)$

其中，

是等价复共轭巴克序列，r(kT+n)是采样后的接收到的数据序列，k＝0，1，......，并且T是接收到的序列在其被应用到相关器之前被采样的采样率。

优选地，y(kT+n)的幅度在执行滤波操作的步骤之前被获得，即s(kT+n)＝|y(kT+n)|。

在优选实施例中，滤波操作包括使用以下公式计算相关结果的移动平均数(running average)：

${\hat{s}}_K\left(n\right)=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}s(\mathrm{iT}+n),n=0,...,T-1---\left(2\right)$

在本发明的典型实施例中，使用以下公式计算L：

$L=\frac{{\max }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)-{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}{{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}---\left(3\right)$

如果L>T，指示存在巴克序列的判决信号被输出，否则，指示不存在巴克序列的判决信号被输出，其中，T是预定的门限值。

参考下文中描述的本发明的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见且被阐明。

附图说明

现在，仅通过示例并参考附图，来描述本发明的实施例，其中：

图1示出在无线局域网的IEEE 802.11b标准中使用的长帧格式；

图2示出在无线局域网的IEEE 802.11b标准中使用的短帧格式；

图3是示出根据本发明的典型实施例的设备的主要部件的示意方框图；

图4是示出根据本发明的典型实施例的方法的主要步骤的示意流程图；

图5是示出信号s_K(n)，i＝1至K的特性的示意图；

图6是示出确定max_n(averages_K(n))和min_n(averages_K(n))的方式；

图7是示出对于E_s/N₀＝0dB时的误报警概率和误检测概率的图表；

图8是示出对于E_s/N₀＝4dB时的误报警概率和误检测概率的图表。

具体实施方式

无线局域网的IEEE 802.11b标准描述了两种物理帧格式，也就是如图1所示的长帧格式和如图2所示的可选的短帧格式。

长帧格式中的SYNC字段由128比特组成。这128比特包括一个全1序列，通过一个使用初始种子1101100的数据加扰器进行加扰。起始字段分界符(Start Field Delimiter，SFD)指示PHY(物理层)附属参数的开始，并且等于1111001110100000(十六进制F3A0)，其中，最右边的比特最先被发送。

短帧格式中的SYNC字段由56比特组成，包括通过在这种情况下使用初始种子0011011的数据加扰器进行加扰的56个0比特。SFD还是一个16比特字段，但是与长帧格式中的SFD字段相比，这些比特在时间上是相反的(十六进制05CF)。

现在，参考图3和图4，将对本发明的典型实施例进行描述。

接收到的信号r被应用于采样器10。

令r(kT+n)为所采样的接收到的序列，其中，k＝0，1，......，且n＝0，......，T-1。在临界采样的序列信号(无过采样)情况下，T＝11，且在两倍过采样的信号情况下，T＝22。所采样的接收到的序列被应用于巴克相关器12。巴克相关器12的输出y(kT+n)由以下公式给出：

$y(\mathrm{kT}+n)=\underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^{*}r(\mathrm{kT}+n-i)---\left(4\right)$

其中，是等价(即未采样)复共轭巴克序列。通常，巴克相关器12的输出将是复值。在本发明的该示例的巴克检测器中，使用相关结果的幅度s(kT+n)＝|y(kT+n)|(如图3中块14所示)。在一个周期中，有T个相关结果，即s(kT+n)，n＝0，......，T-1(如图5所示)。本发明的该典型实施例的巴克检测器采用相关结果的滤波后版本且提出了以下滤波器操作(由图3中的块16完成)：

${\hat{s}}_K\left(n\right)=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}s(\mathrm{iT}+n),n=0,...,T-1---\left(5\right)$

使用该滤波器16，在符合IEEE 802.11b的信号情况下，计算相关结果的预期周期。过一段时间(由设计参数K确定)后，滤波的相关结果被使用(在块20)来获得参数L，以提供关于是否存在巴克信号的判决：

$L=\frac{{\max }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)-{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}{{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}---\left(6\right)$

对于一些精选的K值。值得注意的是，如图6所示，

的最大值和最小值在块18中被确定。

所期望的是，如果存在巴克信号，则L将很大；否则，L将很小。提出的判决标准是：对一些精选的门限T，如果L>T(图3，块22)，则判决信号指示存在巴克信号。为了获得对所提出的巴克检测器性能的印象，我们定义了两个性能量度，即误报警概率P_fa和误检测概率P_md。

P_fa＝Pr(L>T|不存在巴克信号)

P_md＝Pr(L≤T|存在巴克信号)           (7)

对于以下信道条件AWGN和具有0(瑞利平滑衰落(Rayleigh flatfading))、10、50、100、150和200ns RMS延迟扩展的指数信道模型，这两个性能指标被估算。“不存在巴克信号”情况意味着只有AWGN被提供给巴克检测器。在图7和图8中，显示了对于E_s/N₀＝0dB和E_s/N₀＝4dB时的性能结果。这些结果是通过分析用于2000信道实现的参数L和平均在K-10个采样上的相关结果而获得的。

门限T的选择是在低P_fa和低P_md之间的折衷。对AWGN信道，可以选择门限，使得二者明显小于0.1％，例如T＝3.0。在图中可以看到，可变门限的范围随着信噪比的增加而增加。

为获得误报警概率，也可以通过使用随机信号(即非巴克扩频)来进行类似的实验。

总之，根据本发明，通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和最小相关结果的差异，来检测大的相关结果的出现。

与本发明有关的一些优点包括：

无需对相关结果进行周期性检查(即关于高相关结果是否周期性地出现的检查)，尽管可以将其附加地使用于本发明中，以进一步增加方法的可靠性。

所提出的方法在固定时间周期(由设计参数K定义)后进行判决，这与和上述的现有技术方法有关的可变判决时间是相反的。

所获得的参数L也可以被用作天线分集的信道质量指标，即在天线选择过程中，具有最大L的天线可以被优先考虑。

上面已经仅通过示例描述了本发明，对本领域的技术人员显而易见的是，可以对所述的实施例做出修改和变更，而不背离由所附权利要求所定义的本发明的范围。也应该明白，在此使用的术语“包括”不排除附加的成分，“一个”不排除多个，并且单个处理器或者其它单元可以被用于实现在权利要求中所述的多个装置的功能。

Claims (6)

1、一种确定接收到的数据序列是否是巴克扩频序列的方法，所述方法包括以下步骤：对所述接收到的数据序列进行相关；执行滤波操作以创建由K个连续的数据比特的相关结果的总和组成的数据集，其中，K是质量参数且是一个大于1的整数；通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和所述最小相关结果之间的差异来获得参数L；并且将所述参数L与预定的门限值进行比较，以确定所述接收到的信号是否是巴克扩频序列。

2、如权利要求1所述的方法，其中，对所述接收到的序列进行相关的所述步骤包括使用以下公式获得信号y(kT+n)：

$y(\mathrm{kT}+n)=\underset{i=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{b_i}^{*}r(\mathrm{kT}+n-i)$

其中，b_i ^*是等价复共轭巴克序列，r(kT+n)是采样后的接收到的数据序列，k＝0，1，......，T是在将所述接收到的序列应用到所述相关器之前对其进行采样的采样率。

3、如权利要求2所述的方法，其中，在执行所述滤波操作的所述步骤之前获得y(kT+n)的幅度。

4、如权利要求2所述的方法，其中，所述滤波操作包括使用以下公式计算所述相关结果的移动平均数：

${\hat{s}}_K\left(n\right){=}_K^1\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}s(\mathrm{kT}+n),n=0,$ …，T-1，其中s(kT+n)＝|y(kT+n)|，k＝0，1，......，T。

5、如权利要求4所述的方法，其中，使用以下公式计算L：

$L=\frac{{\max }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)-{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}{{\min }_n{\hat{s}}_K\left(n\right)}$

并且如果L>T，则指示存在巴克序列的判决信号被输出，否则，指示不存在巴克序列的判决信号被输出，其中，T是预定的门限值。

6、用于确定接收到的数据序列是否是巴克扩频序列的设备，所述设备包括：巴克相关器(12)，用于对所述接收到的数据序列进行相关；滤波器(16)，用于执行滤波操作以创建由K个连续的数据比特的相关结果的总和组成的数据集，其中，K是质量参数且是一个大于1的整数；计算器(20)，用于通过确定由最小相关结果归一化的最大相关结果和所述最小相关结果之间的差异来获得参数L；以及比较器(22)，用于将所述参数L与预定的门限值进行比较，以确定所述接收到的信号是否是巴克扩频序列。

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